WO2020110479A1 - 負極材料、および、電池 - Google Patents

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negative electrode
electrolyte material
halide
battery
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龍也 大島
出 佐々木
西山 誠司
覚 河瀬
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Definitions

  • the present disclosure relates to a negative electrode material and a battery.
  • Non-Patent Document 1 discloses an all-solid-state lithium ion battery using a sulfide solid electrolyte material as a negative electrode material.
  • a negative electrode material includes a reductant of a first solid electrolyte material and a conduction aid, and the first solid electrolyte material is represented by the following formula (1): Li ⁇ M ⁇ X ⁇ Equation (1)
  • ⁇ , ⁇ , and ⁇ are all values greater than 0, and M is at least one element selected from the group consisting of metal elements and metalloid elements other than Li.
  • X is at least one element selected from the group consisting of F, Cl, Br, and I.
  • the charge/discharge efficiency of the battery can be improved.
  • FIG. 1 is a view showing an X-ray diffraction pattern of a reduced body of Li 2.7 Y 1.1 Cl 6 , which is an example of a reduced body of the first solid electrolyte material.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a negative electrode material 1000 which is an example of the negative electrode material according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a sectional view showing a schematic configuration of a battery 2000 that is an example of the battery according to the second embodiment.
  • the negative electrode material in the first embodiment is a reduced body of the first solid electrolyte material (hereinafter, also referred to as “halide solid electrolyte material”) (hereinafter, also referred to as “halide reduced body”), and a conductive additive.
  • halide solid electrolyte material is a material represented by the following formula (1).
  • ⁇ , ⁇ , and ⁇ are all values greater than 0.
  • M is at least one element selected from the group consisting of metal elements and metalloid elements other than Li.
  • X is at least one element selected from the group consisting of F, Cl, Br, and I.
  • the “semi-metal element” is B, Si, Ge, As, Sb, and Te.
  • metal element means (I) All elements contained in Groups 1 to 12 of the periodic table except hydrogen, and (Ii) All elements contained in Groups 13 to 16 of the periodic table except B, Si, Ge, As, Sb, Te, C, N, P, O, S, and Se. That is, the “metal element” is a group of elements that can become cations when a halide and an inorganic compound are formed.
  • the negative electrode material of the first embodiment can improve the charge/discharge efficiency of the battery.
  • Non-Patent Document 1 described in the “Background Art” discloses a battery in which a reductant of a sulfide solid electrolyte material (hereinafter, also referred to as “sulfide reductant”) is used as a negative electrode material.
  • sulfide reductant a reductant of a sulfide solid electrolyte material
  • the present inventors have found that in a battery using a sulfide reductant as a negative electrode material, the charge/discharge efficiency of the battery is lowered because of the low electron conductivity and ionic conductivity of the sulfide reductant. It has been found that there is a problem to be solved.
  • the above-mentioned halide reductant exhibits good electronic conductivity and ionic conductivity.
  • the negative electrode material of the first embodiment contains a halide reductant that exhibits good electron conductivity and ionic conductivity, and a conductive auxiliary agent that assists electron conduction, the charge/discharge efficiency of the battery is improved. be able to.
  • the halide solid electrolyte material in the first embodiment has the following formula (1): 1 ⁇ 5, 0 ⁇ 2, and 5.5 ⁇ 6.5 May be satisfied.
  • m is the valence of M.
  • m ⁇ is the sum of the composition ratios of the respective elements times the valence of the element.
  • the composition ratio of the element M1 is ⁇ 1
  • the valence number of the element M1 is m 1
  • the composition ratio of the element M2 is ⁇ 2
  • Is m 2 , m ⁇ m 1 ⁇ 1 +m 2 ⁇ 2 .
  • it is sufficient that the above relational expression is satisfied when those possible valences are used as m.
  • M may include at least one element selected from the group consisting of transition metal elements.
  • the halide solid electrolyte material containing Y may be represented by the following formula (2), for example.
  • Me is from the group consisting of metal elements and metalloid elements other than Li and Y At least one element selected.
  • m e is the valence of Me.
  • m e b is the sum of the values obtained by multiplying the valence of the element composition ratio of each element.
  • Me contains the element Me1 and the element Me2, the composition ratio of the element Me1 is b 1 , the valence of the element Me1 is m e1 , and the composition ratio of the element Me2 is b 2 and the valence of the element Me2.
  • Is m e2 , m e b m e1 b 1 +m e2 b 2 .
  • Me1 is Mg, Ca, Sr , Ba, Zn, Sc, Al, Ga, Bi, Zr, Hf, Ti, Sn, Ta, and Nb.
  • the above relational expression may be satisfied when the possible valences are used as m e .
  • the charge/discharge efficiency of the battery can be further improved.
  • the halide solid electrolyte material in the first embodiment may be a material represented by the following composition formula (3).
  • X is two or more kinds of elements selected from the group consisting of Cl, Br, and I.
  • d satisfies 0 ⁇ d ⁇ 2.
  • the negative electrode material according to the first embodiment when the halide solid electrolyte material satisfies the above formula (3), the negative electrode material according to the first embodiment improves the cycle characteristics of the battery and further improves the charge/discharge efficiency of the battery. sell. Furthermore, since the halide solid electrolyte material satisfying the above formula (3) has high ionic conductivity, it is possible to efficiently generate a halide reductant.
  • the halide solid electrolyte material in the first embodiment may be a material represented by the following composition formula (4).
  • X is two or more kinds of elements selected from the group consisting of Cl, Br, and I. That is, in the composition formula (3), d may be 1.
  • the negative electrode material according to the first embodiment when the halide solid electrolyte material satisfies the above formula (4), the negative electrode material according to the first embodiment improves the cycle characteristics of the battery and further improves the charge/discharge efficiency of the battery. sell. Furthermore, since the halide solid electrolyte material satisfying the above formula (4) has high ionic conductivity, the halide reductant can be efficiently generated.
  • the halide solid electrolyte material in the first embodiment may be a material represented by the following composition formula (5). Li 3-3 ⁇ Y 1+ ⁇ Cl 6 ... Formula (5) Here, in the composition formula (5), 0 ⁇ 0.15 is satisfied.
  • the negative electrode material according to the first embodiment when the halide solid electrolyte material satisfies the above formula (5), the negative electrode material according to the first embodiment improves the cycle characteristics of the battery and further improves the charge/discharge efficiency of the battery. sell. Furthermore, since the halide solid electrolyte material satisfying the above formula (5) has high ionic conductivity, it is possible to efficiently generate a halide reductant.
  • the halide solid electrolyte material in the first embodiment may be a material represented by the following composition formula (6). Li 3-3 ⁇ Y 1+ ⁇ Br 6 ... Formula (6) Here, in the composition formula (6), 0 ⁇ 0.25 is satisfied.
  • the negative electrode material according to the first embodiment when the halide solid electrolyte material satisfies the above formula (6), the negative electrode material according to the first embodiment improves the cycle characteristics of the battery and further improves the charge/discharge efficiency of the battery. sell. Furthermore, since the halide solid electrolyte material satisfying the above formula (6) has high ionic conductivity, it is possible to efficiently generate a halide reductant.
  • the halide solid electrolyte material in the first embodiment may be a material represented by the following composition formula (7).
  • Me is at least one element selected from the group consisting of Mg, Ca, Sr, Ba, and Zn.
  • the negative electrode material according to the first embodiment when the halide solid electrolyte material satisfies the above formula (7), the negative electrode material according to the first embodiment improves the cycle characteristics of the battery and further improves the charge/discharge efficiency of the battery. sell. Furthermore, since the halide solid electrolyte material satisfying the above formula (7) has high ionic conductivity, it is possible to efficiently generate a halide reductant.
  • the halide solid electrolyte material in the first embodiment may be a material represented by the following composition formula (8).
  • Me is at least one element selected from the group consisting of Al, Sc, Ga, and Bi.
  • the negative electrode material according to the first embodiment when the halide solid electrolyte material satisfies the above formula (8), the negative electrode material according to the first embodiment improves the cycle characteristics of the battery and further improves the charge/discharge efficiency of the battery. sell. Furthermore, since the halide solid electrolyte material satisfying the above formula (8) has high ionic conductivity, it is possible to efficiently generate a halide reductant.
  • the halide solid electrolyte material in the first embodiment may be a material represented by the following composition formula (9).
  • Me is at least one element selected from the group consisting of Zr, Hf, and Ti.
  • the negative electrode material according to the first embodiment when the halide solid electrolyte material satisfies the above formula (9), the negative electrode material according to the first embodiment improves the cycle characteristics of the battery and further improves the charge/discharge efficiency of the battery. sell. Furthermore, since the halide solid electrolyte material satisfying the above formula (9) has high ionic conductivity, it is possible to efficiently generate a halide reductant.
  • the halide solid electrolyte material in the first embodiment may be a material represented by the following composition formula (10).
  • Me is at least one element selected from the group consisting of Ta and Nb.
  • the negative electrode material according to the first embodiment when the halide solid electrolyte material satisfies the above formula (10), the negative electrode material according to the first embodiment improves the cycle characteristics of the battery and further improves the charge/discharge efficiency of the battery. sell. Furthermore, since the halide solid electrolyte material satisfying the above formula (10) has high ionic conductivity, it is possible to efficiently produce a halide reductant.
  • halide solid electrolyte material in the first embodiment include, for example, Li 2.7 Y 1.1 Cl 6 , Li 3 YBr 3 Cl 3 , Li 3 YBr 6 , Li 2.5 Zr 0.5 Y 0.5 Cl 6 , and Li 3 YBr 2 Cl 6 .
  • 2 I 2 Li 3.1 Y 0.9 Ca 0.1 Cl 6 , Li 3 Y 0.8 Al 0.2 Cl 6 , Li 2.5 Y 0.5 Hf 0.5 Cl 6 , Li 2.8 Y 0.9 Ta 0.1 Cl 6 , Li 4.5 Y 0.475 Bi 0.025 Cl 6 , Li 1.5 Y 1.425 Bi 0.075 Cl 6 , and the like.
  • the negative electrode material in the first embodiment when the materials exemplified above are halide solid electrolyte materials, the negative electrode material in the first embodiment improves the cycle characteristics of the battery and further improves the charge/discharge efficiency of the battery. Can be done. Furthermore, the above-exemplified materials have high ionic conductivity, and thus can efficiently generate a reduced halide.
  • halide solid electrolyte material in the first embodiment in addition to the above, for example, a known solid electrolyte material that satisfies the above formula (1) may be used.
  • the reduced halide in the first embodiment has a peak top in the range of the diffraction angle 2 ⁇ of ⁇ a or more and ⁇ b or less. May exist.
  • the (220) plane peak of LiX is a peak due to the (220) plane in the Miller index hkl of the rock salt type structure having a crystal structure belonging to the space group Fm-3m such as LiCl, LiBr, and LiI.
  • the halogenated reductant contains two or more halogens, a halogen having a smaller atomic number is selected as the halogen for determining ⁇ b.
  • ⁇ a is the value of the diffraction angle 2 ⁇ at the peak top of the peak derived from the halide solid electrolyte material, and is also the value closest to ⁇ b.
  • the negative electrode material according to the first embodiment can further improve the charge/discharge efficiency of the battery. Specifically, the peak derived from the halide reductant shifts from ⁇ a to ⁇ b as the Li is occluded. On the other hand, as Li is released, the peak derived from the reduced halide is shifted from ⁇ b to ⁇ a. It is considered that the crystal structure of the halide reductant contracts and expands with the absorption and desorption of Li. Therefore, it is speculated that the negative electrode material containing the halide reductant improves the charge/discharge efficiency.
  • Li 2.7 Y 1.1 Cl 6 is a halide solid electrolyte material used in Example 1 described later.
  • Li 2.7 Y 1.1 Cl 6 may be referred to as “LYC”.
  • LYC was produced by a method similar to the method described in Example 1. Further, Li 2 S—P 2 S 5 (hereinafter, also referred to as “LPS”) which is a glass-ceramic solid electrolyte material was prepared by the same method as that described in Example 2.
  • LPS Li 2 S—P 2 S 5
  • metal In thickness 200 ⁇ m
  • metal Li thickness 300 ⁇ m
  • metal In thickness 200 ⁇ m
  • An In-Li alloy was prepared by molding.
  • a reference electrode/counter electrode made of the In-Li alloy was obtained.
  • In-Li alloy was obtained.
  • an insulating ferrule was used to shut off and seal the inside of the insulating outer cylinder from the atmosphere.
  • red-LYC A LYC reductant (hereinafter referred to as “red-LYC”) was produced under the following conditions using the above electrochemical cell.
  • the electrochemical cell was placed in a constant temperature bath at 70°C. Next, when a current amount of one electron was applied to one molecule of LYC at a current density of 0.1 mA/cm 2 to the electrochemical cell, the working electrode obtained by terminating the current application was obtained.
  • the red-LYC (1e charged) sample was used, and the working electrode obtained by ending the current application when a current amount of 2 electrons was applied to one LYC molecule was used as the red-LYC (2e charged) sample. Further, a current was applied to the electrochemical cell at a current density of 0.1 mA/cm 2 to lower the working electrode potential to ⁇ 0.6 V (vs LiIn), but the working electrode was red ⁇
  • the sample was a LYC (fully charged) sample.
  • a working electrode obtained by terminating the current application when a current amount of one electron was applied to LYC was used as a red-LYC (1e discharge) sample.
  • a working electrode was prepared by applying a current to raise the working electrode potential to 1.9 V (vs LiIn) and used as a red-LYC (full discharge) sample.
  • FIG. 1 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of the red-LYC sample. The results shown in FIG. 1 were measured by the following method.
  • An X-ray diffraction pattern of red-LYC was measured in a dry environment with a dew point of ⁇ 50° C. or lower using a fully automatic multipurpose X-ray diffractometer (RIGAKU, SmartLab).
  • Cu-K ⁇ 1 radiation was used as the X-ray source. That is, an X-ray diffraction pattern was measured by the ⁇ -2 ⁇ method using Cu-K ⁇ rays (wavelength 1.5405 ⁇ , that is, 0.15405 nm) as X-rays.
  • the peak tops of the red-LYC X-ray diffraction peaks are the peak top position (that is, the position of ⁇ a) of the LYC-derived X-ray diffraction peak and the peak top position of the LiCl peak (that is, the position of ⁇ b). Existed between.
  • the LiCl peak shown in FIG. 1 is described based on the data published in the Inorganic Crystal Structure Database (ICSD) (ICSD No. 26909).
  • the X-ray diffraction peak of red-LYC changes from the peak top position (ie, the position of ⁇ a) of the X-ray diffraction peak derived from LYC to the peak of LiCl with charging (Li storage). It shifts to the peak top position (that is, the position of ⁇ b), and shifts from the peak top position of the X-ray diffraction peak of LiCl to the peak top position of the LYC peak with discharge (Li emission).
  • the shape of the reduced halide in the first embodiment is not particularly limited.
  • the shape of the reduced halide may be, for example, acicular, spherical, elliptical, or the like.
  • the reduced form of the halide may be in the form of particles.
  • the method for producing the reduced halide is not particularly limited, and a known method capable of reducing the solid halide electrolyte material can be used.
  • an electrochemical method can be mentioned.
  • an electrochemical cell using a Li-containing compound for the counter electrode and a halide solid electrolyte material for the working electrode is prepared.
  • a reduced halide can be produced by sweeping a constant current in this cell and reducing the halide solid electrolyte material of the working electrode.
  • Examples of the conductive auxiliary agent included in the negative electrode material of the first embodiment include graphites of natural graphite and artificial graphite, carbon blacks such as acetylene black and Ketjen black, conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers. , Metal powders such as fluorinated carbon and aluminum, conductive whiskers such as zinc oxide and potassium titanate, conductive metal oxides such as titanium oxide, and conductive polymer compounds such as polyaniline, polypyrrole, and polythiophene , Etc. can be used. When a carbon-based material is used as a conductive auxiliary agent, cost reduction can be achieved.
  • the conductive additive may include acetylene black.
  • the conductive additive may be composed of acetylene black only.
  • the negative electrode material in the first embodiment contains acetylene black as the conductive additive, the charge/discharge efficiency of the battery can be further improved.
  • the negative electrode material according to the first embodiment may further include a second solid electrolyte material.
  • the reduction potential of the second solid electrolyte material with respect to lithium may be lower than the reduction potential of the first solid electrolyte material with respect to lithium.
  • the negative electrode material according to the first embodiment can ensure good ionic conductivity, and can improve the charge/discharge efficiency and discharge capacity of the battery.
  • the reduction potential of the solid electrolyte material with respect to lithium is measured, for example, by the following method.
  • SUS foil, solid electrolyte material, and lithium foil are laminated in this order in an insulating outer cylinder.
  • a laminate is produced.
  • stainless steel current collectors are arranged above and below the laminated body, and current collector leads are attached to the current collectors.
  • an insulating ferrule is used to shut off and seal the insulating outer cylinder from the outside air atmosphere, thereby producing a cell for measuring reduction potential.
  • the reduction potential for lithium is measured by scanning the potential from ⁇ 0.5 V to 6 V at a lithium reference potential at a rate of 5 mV/s.
  • the second solid electrolyte material for example, a sulfide solid electrolyte material and an oxide solid electrolyte material may be used.
  • Examples of the sulfide solid electrolyte material include Li 2 S—P 2 S 5 , Li 2 S—SiS 2 , Li 2 S—B 2 S 3 , Li 2 S—GeS 2 , Li 3.25 Ge 0.25 P 0.75 S 4 , and Li. 10 GeP 2 S 12 , etc. may be used. Further, in addition to these, LiX (X: F, Cl, Br, I), Li 2 O, MO q , Li p MO q (M: P, Si, Ge, B, Al, Ga, In, Fe, and Zn). At least one selected from the group consisting of (p, q: natural number) and the like may be added.
  • oxide solid electrolyte material examples include NASICON-type solid electrolyte materials represented by LiTi 2 (PO 4 ) 3 and its element substitution products, (LaLi)TiO 3 -based perovskite-type solid electrolyte materials, and Li 14 ZnGe 4 O.
  • the second solid electrolyte material may include a sulfide solid electrolyte material.
  • the second solid electrolyte material may include Li 2 S—P 2 S 5 .
  • Li 2 SP 2 S 5 has a high ionic conductivity and is stable against reduction. Therefore, by including Li 2 S—P 2 S 5 , the negative electrode material of the first embodiment can further improve the charge/discharge efficiency and discharge capacity of the battery.
  • the shape of the second solid electrolyte material is not particularly limited, and may be, for example, a needle shape, a spherical shape, an elliptic spherical shape, or the like.
  • the shape of the second solid electrolyte material may be particulate.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a negative electrode material 1000 which is an example of the negative electrode material according to the first embodiment.
  • the reduced form of the halide is particulate (eg, spherical)
  • the second solid electrolyte material is particulate (eg, spherical).
  • Negative electrode material 1000 in the first embodiment includes halide-reduced body particles 101, second solid electrolyte particles 102, and conductive additive 103.
  • the halide-reduced body particles 101 in the first embodiment may have a particulate (eg, spherical) shape
  • the halide-reduced body particles 101 may have a median diameter of 0.1 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less.
  • the median diameter of particles means a particle diameter (d50) corresponding to a volume cumulative 50%, which is obtained from a particle size distribution measured on a volume basis by a laser diffraction scattering method.
  • the reduced halide particles 101 and the second solid electrolyte particles 102 can form a favorable dispersed state in the negative electrode material 1000. .. This improves the charge/discharge characteristics of the battery. Further, when the median diameter of the halide-reduced body particles 101 is 100 ⁇ m or less, the diffusion of lithium in the halide-reduced body particles 101 becomes faster. Therefore, the operation of the battery at high output becomes easy.
  • the median diameter of the reduced halide particles 101 may be larger than the median diameter of the second solid electrolyte particles 102. Thereby, the halide-reduced body particles 101 and the second solid electrolyte particles 102 can form a favorable dispersed state.
  • the median diameter of the second solid electrolyte particles 102 may be 100 ⁇ m or less.
  • the reduced halide particles 101 and the second solid electrolyte particles 102 can form a favorable dispersed state in the negative electrode material. Therefore, charge/discharge characteristics are improved.
  • the median diameter of the second solid electrolyte particles 102 may be 10 ⁇ m or less.
  • the reduced halide particles 101 and the second solid electrolyte particles 102 can form a favorable dispersed state.
  • Negative electrode material 1000 in the first embodiment may include a plurality of halide reduced body particles 101 and a plurality of second solid electrolyte particles 102.
  • the content of the halide-reduced body particles 101 and the content of the second solid electrolyte particles 102 in the negative electrode material 1000 according to the first embodiment may be the same or different from each other.
  • the negative electrode material according to the first embodiment may include a material other than the halide reductant, the conduction aid, and the second solid electrolyte material.
  • the negative electrode material in the first embodiment may include, for example, a negative electrode active material and a binder.
  • the binder the materials exemplified as the binder contained in at least one of the negative electrode, the electrolyte layer, and the positive electrode in Embodiment 2 described later can be used.
  • the negative electrode material according to the first embodiment may include a negative electrode active material having a property of occluding and releasing metal ions (for example, lithium ions).
  • a negative electrode active material for example, a metal material, a carbon material, an oxide, a nitride, a tin compound, a silicon compound, or the like can be used.
  • the metal material may be a single metal.
  • the metallic material may be an alloy.
  • metal materials include lithium metal, lithium alloys, and the like.
  • carbon materials include natural graphite, coke, graphitizing carbon, carbon fibers, spherical carbon, artificial graphite, amorphous carbon, and the like.
  • the negative electrode material according to the first embodiment may include, for example, 30% by mass or more, or 80% by mass or more, of a reduced halide.
  • the energy density of the battery can be sufficiently secured.
  • the negative electrode material according to the first embodiment can improve the charge/discharge efficiency of the battery.
  • the negative electrode material according to the first embodiment may include, for example, 20% by mass or less of the conductive auxiliary agent, and may contain 10% by mass or less of the conductive auxiliary agent.
  • the energy density of the battery can be sufficiently secured.
  • the negative electrode material according to the first embodiment can improve the charge/discharge efficiency of the battery.
  • the negative electrode material in the first embodiment may contain the second solid electrolyte material in an amount of, for example, 70% by mass or less, or 20% by mass or less.
  • the negative electrode material according to the first embodiment can improve the charge/discharge efficiency of the battery.
  • the volume ratio “v:100-v” of the halide reductant and the second solid electrolyte material is 30. ⁇ v ⁇ 95 may be satisfied. When 30 ⁇ v, a sufficient energy density of the battery can be secured. Further, when v ⁇ 95, the operation at high output becomes easy.
  • the negative electrode material in the first embodiment for example, a reduced body of a halide solid electrolyte material produced in advance, a conductive auxiliary agent, and a second solid electrolyte material when the second solid electrolyte material is added are mixed.
  • the negative electrode material according to the first embodiment is prepared by mixing, for example, a halide solid electrolyte material, a conductive auxiliary agent, and a second solid electrolyte material, and using the resulting mixture as a working electrode. It can be prepared by preparing an electrochemical cell having a counter electrode as a counter electrode, and sweeping a constant current in the cell to reduce the halide solid electrolyte material of the working electrode.
  • FIG. 3 is a sectional view showing a schematic configuration of the battery according to the second embodiment.
  • the battery 2000 according to the second embodiment includes a negative electrode 201, an electrolyte layer 202, and a positive electrode 203.
  • the negative electrode 201 includes the same negative electrode material 1000 as in the first embodiment described above.
  • the electrolyte layer 202 is arranged between the negative electrode 201 and the positive electrode 203.
  • the battery according to the second embodiment can improve charge/discharge efficiency.
  • the negative electrode 201 may be made of only the negative electrode material 1000 according to the first embodiment described above.
  • the battery of the second embodiment can further improve the charge/discharge efficiency of the battery.
  • the thickness of the negative electrode 201 may be 10 ⁇ m or more and 500 ⁇ m or less. By setting the thickness of the negative electrode to 10 ⁇ m or more, a sufficient energy density can be secured. Further, by setting the thickness of the negative electrode to 500 ⁇ m or less, operation at high output becomes easy. That is, when the thickness of the negative electrode 201 is appropriately adjusted, the energy density of the battery can be sufficiently ensured and the battery can be operated at high output.
  • the electrolyte layer 202 is a layer containing an electrolyte material.
  • the electrolyte material is, for example, a solid electrolyte material. That is, the electrolyte layer 202 may be a solid electrolyte layer.
  • solid electrolyte material contained in the electrolyte layer 202 for example, a halide solid electrolyte material, a sulfide solid electrolyte material, an oxide solid electrolyte material, a polymer solid electrolyte material, and a complex hydride solid electrolyte material can be used.
  • the halide solid electrolyte material may be the same as the halide solid electrolyte material before the reduction of the halide reductant contained in the negative electrode material in the first embodiment, or another halide different from this. Solid electrolyte materials may be used.
  • Examples of the sulfide solid electrolyte material include Li 2 S—P 2 S 5 , Li 2 S—SiS 2 , Li 2 S—B 2 S 3 , Li 2 S—GeS 2 , Li 3.25 Ge 0.25 P 0.75 S 4 , and Li. 10 GeP 2 S 12 , etc. may be used. Further, in addition to these, LiX (X: F, Cl, Br, I), Li 2 O, MO q , Li p MO q (M: P, Si, Ge, B, Al, Ga, In, Fe, and Zn). At least one selected from the group consisting of (p, q: natural number) and the like may be added.
  • oxide solid electrolyte material examples include NASICON-type solid electrolyte materials represented by LiTi 2 (PO 4 ) 3 and its element substitution products, (LaLi)TiO 3 -based perovskite-type solid electrolyte materials, and Li 14 ZnGe 4 O.
  • the polymer solid electrolyte material for example, a compound of a polymer compound and a lithium salt can be used.
  • the polymer compound may have an ethylene oxide structure. By having an ethylene oxide structure, a large amount of lithium salt can be contained, and the ionic conductivity can be further increased.
  • the lithium salt LiPF 6, LiBF 4, LiSbF 6, LiAsF 6, LiSO 3 CF 3, LiN (SO 2 CF 3) 2, LiN (SO 2 C 2 F 5) 2, LiN (SO 2 CF 3) ( SO 2 C 4 F 9), LiC (SO 2 CF 3) 3, etc., may be used.
  • the lithium salt one kind of lithium salt selected from these may be used alone. Alternatively, as the lithium salt, a mixture of two or more lithium salts selected from these may be used.
  • the complex hydride solid electrolyte material for example, LiBH 4 -LiI, LiBH 4 -P 2 S 5 and the like can be used.
  • the electrolyte layer 202 may include a solid electrolyte material as a main component. That is, the electrolyte layer 202 may include a solid electrolyte material, for example, in a mass ratio of 50% or more (50 mass% or more) with respect to the entire electrolyte layer 202.
  • the electrolyte layer 202 may include a solid electrolyte material, for example, in a mass ratio of 70% or more (70% by mass or more) with respect to the entire electrolyte layer 202.
  • the electrolyte layer 202 contains a solid electrolyte material as a main component, and further contains unavoidable impurities or starting materials, by-products, and decomposition products used when synthesizing the solid electrolyte material. You can leave.
  • the electrolyte layer 202 may include a solid electrolyte material, for example, 100% (100% by mass) in mass ratio with respect to the entire electrolyte layer 202 excluding impurities that are unavoidable to be mixed.
  • the electrolyte layer 202 may be composed only of the solid electrolyte material.
  • the electrolyte layer 202 may include two or more of the materials listed as the solid electrolyte material.
  • the electrolyte layer 202 may include a halide solid electrolyte material and a sulfide solid electrolyte material.
  • the thickness of the electrolyte layer 202 may be 1 ⁇ m or more and 300 ⁇ m or less.
  • the thickness of the electrolyte layer 202 is 1 ⁇ m or more, the possibility that the negative electrode 201 and the positive electrode 203 are short-circuited is reduced.
  • the thickness of the electrolyte layer 202 is 300 ⁇ m or less, operation at high output becomes easy. That is, when the thickness of the electrolyte layer 202 is appropriately adjusted, sufficient safety of the battery can be ensured and the battery can be operated at high output.
  • the positive electrode 203 includes positive electrode active material particles and solid electrolyte particles.
  • the positive electrode 203 includes a positive electrode active material material having a property of inserting and extracting metal ions (eg, lithium ions).
  • metal ions eg, lithium ions
  • As the positive electrode active material lithium-containing transition metal oxide, transition metal fluoride, polyanion material, fluorinated polyanion material, transition metal sulfide, transition metal oxysulfide, transition metal oxynitride, and the like can be used. ..
  • the manufacturing cost can be reduced and the average discharge voltage can be increased.
  • the lithium-containing transition metal oxide include Li(NiCoAl)O 2 , Li(NiCoMn)O 2 and LiCoO 2 .
  • the positive electrode 203 may include a solid electrolyte material.
  • the solid electrolyte material the solid electrolyte material exemplified as the material forming the electrolyte layer 202 may be used. According to the above configuration, the lithium ion conductivity inside the positive electrode 203 becomes high, and it becomes possible to operate at high output.
  • the median diameter of the positive electrode active material particles may be 0.1 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less.
  • the median diameter of the positive electrode active material particles is 0.1 ⁇ m or more, the positive electrode active material particles and the solid electrolyte material can form a good dispersion state in the positive electrode. This improves the charge/discharge characteristics of the battery.
  • the median diameter of the positive electrode active material particles is 100 ⁇ m or less, lithium diffusion in the positive electrode active material particles becomes faster. Therefore, the operation of the battery at high output becomes easy. That is, when the positive electrode active material particles have an appropriate size, a battery having excellent charge/discharge characteristics and capable of operating at high output can be obtained.
  • the median diameter of the positive electrode active material particles may be larger than the median diameter of the solid electrolyte material. This makes it possible to form a favorable dispersed state of the positive electrode active material particles and the solid electrolyte material.
  • the volume ratio “v:100-v” of the positive electrode active material particles and the solid electrolyte material contained in the positive electrode 203 (where v is the volume ratio of the positive electrode active material particles) satisfies 30 ⁇ v ⁇ 95. May be done. When 30 ⁇ v, a sufficient energy density of the battery can be secured. Further, when v ⁇ 95, the operation at high output of the battery becomes easy.
  • the thickness of the positive electrode 203 may be 10 ⁇ m or more and 500 ⁇ m or less. When the thickness of the positive electrode is 10 ⁇ m or more, a sufficient energy density of the battery can be secured. Further, when the thickness of the positive electrode is 500 ⁇ m or less, the battery can operate at high output. That is, when the thickness of the positive electrode 203 is adjusted to an appropriate range, the energy density of the battery can be sufficiently secured and the battery can be operated at high output.
  • a binder may be included in at least one of the negative electrode 201, the electrolyte layer 202, and the positive electrode 203.
  • the binder can improve the adhesion between particles.
  • the binder can improve the binding property of the material forming the electrode.
  • As the binder polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, aramid resin, polyamide, polyimide, polyamideimide, polyacrylonitrile, polyacrylic acid, polyacrylic acid methyl ester, polyacrylic acid ethyl ester, poly Acrylic acid hexyl ester, polymethacrylic acid, polymethacrylic acid methyl ester, polymethacrylic acid ethyl ester, polymethacrylic acid hexyl ester, polyvinyl acetate, polyvinylpyrrolidone, polyether, polyether sulfone, hexafluoropolypropylene, styrene buta
  • binder tetrafluoroethylene, hexafluoroethylene, hexafluoropropylene, perfluoroalkyl vinyl ether, vinylidene fluoride, chlorotrifluoroethylene, ethylene, propylene, pentafluoropropylene, fluoromethyl vinyl ether, acrylic acid, and Copolymers of two or more materials selected from the group consisting of hexadiene can be used. Further, two or more selected from these may be mixed and used as a binder.
  • At least one of the negative electrode 201 and the positive electrode 203 may include a conductive additive.
  • Electronic conductivity can be enhanced by the conductive additive.
  • the conductive aid include, for example, graphite of natural graphite or artificial graphite, carbon blacks such as acetylene black and Ketjen black, conductive fibers such as carbon fiber or metal fiber, carbon fluoride and metal powder such as aluminum.
  • Conductive whiskers such as zinc oxide or potassium titanate, conductive metal oxides such as titanium oxide, conductive polymer compounds such as polyaniline, polypyrrole, polythiophene, and the like can be used.
  • a carbon conductive additive is used, cost reduction can be achieved.
  • the battery according to the second embodiment can be configured in various shapes such as coin type, cylindrical type, square type, sheet type, button type, flat type, and laminated type.
  • the operating temperature of the battery is not particularly limited, but may be -50°C to 100°C.
  • a material for forming a positive electrode, a material for forming an electrolyte layer, and a material for forming a negative electrode are prepared, and the positive electrode, the electrolyte layer, and the negative electrode are arranged in this order by a known method. You may manufacture by producing the laminated body.
  • a laminate in which a positive electrode, an electrolyte layer, and a negative electrode precursor layer containing a halide solid electrolyte material in a state before reduction of the halide reductant contained in the negative electrode material in Embodiment 1 are arranged in this order Make a body.
  • the positive electrode functions as a counter electrode
  • the negative electrode precursor layer functions as a working electrode
  • the halide solid electrolyte material of the negative electrode precursor layer is reduced.
  • an example of the battery manufacturing method according to the second embodiment is as follows.
  • a positive electrode, an electrolyte layer, and a negative electrode precursor layer containing a conductive auxiliary agent and a halide solid electrolyte material in a state before reduction of the halide reductant contained in the negative electrode material in the first embodiment are arranged in this order.
  • Applying a current to the stack including.
  • LYC and acetylene black (hereinafter also referred to as “AB”) as a conductive additive were weighed in a mass ratio of 90:10.
  • a precursor of the negative electrode material was produced by mixing these in an agate mortar.
  • LYC and LPS were weighed in a mass ratio of 40:60 in an argon glove box.
  • a precursor of the negative electrode material was produced by mixing these in an agate mortar.
  • Electrochemical cells were produced from the precursors of the negative electrode materials of Example 1, Example 2, Comparative Example 1, Reference Example 1, and Reference Example 2 described above.
  • metal In thickness 200 ⁇ m
  • metal Li thickness 300 ⁇ m
  • metal In thickness 200 ⁇ m
  • an insulating ferrule was used to shut off and seal the inside of the insulating outer cylinder from the atmosphere.
  • the battery was placed in a constant temperature bath at 25°C.
  • Example 1 From the results of Example 1 and Reference Example 1, it was confirmed that the charge/discharge efficiency of the battery was improved by adding the conductive auxiliary agent to the reduced halide, compared with the case where only the reduced halide was used. It was
  • Example 2 the addition of the conductive auxiliary agent to the halide reduced body and the second solid electrolyte material makes it possible to compare with the case where only the halide reduced body and the second solid electrolyte material are used. It was confirmed that the charge/discharge efficiency of the battery was improved.
  • composition formula is represented by Li ⁇ M ⁇ X ⁇ , ⁇ , ⁇ and ⁇ are all values greater than 0, and M is at least 1 of the metal elements other than Li and the metalloid elements.
  • the battery of the present disclosure can be used, for example, as an all-solid-state lithium-ion secondary battery.
  • Negative Electrode Material 101 Halide Reduced Particles 102 Second Solid Electrolyte Particles 103 Conductive Aid 2000 Battery 201 Negative Electrode 202 Electrolyte Layer 203 Positive Electrode

Abstract

本開示は、電池の充放電効率を向上させることができる負極材料を提供する。負極材料(1000)は、第1固体電解質材料の還元体(101)と、導電助剤(103)とを含む。第1固体電解質材料(101)は、式(1):Liαβγにより表される。ここで、式(1)において、α、β、およびγは、いずれも0より大きい値であり、Mは、Li以外の金属元素および半金属元素からなる群より選ばれる少なくとも一種の元素であり、かつ、Xは、F、Cl、Br、およびIからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素である。

Description

負極材料、および、電池
 本開示は、負極材料、および、電池に関する。
 非特許文献1には、硫化物固体電解質材料を負極材料として用いた全固体リチウムイオン電池が、開示されている。
F. Han et al., "A Battery Made from Single Material", Adv. Mater. 27(2015),3473-3483
 従来技術においては、電池の充放電効率のさらなる向上が望まれる。
 本開示の一態様における負極材料は、第1固体電解質材料の還元体と、導電助剤とを含み、前記第1固体電解質材料は、下記の式(1)により表され、
 Liαβγ ・・・式(1)
 ここで、上記式(1)において、α、β、およびγは、いずれも0より大きい値であり、Mは、Li以外の金属元素および半金属元素からなる群より選ばれる少なくとも一種の元素であり、かつ、Xは、F、Cl、Br、およびIからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素である。
 本開示によれば、電池の充放電効率を向上させることができる。
図1は、第1固体電解質材料の還元体の一例である、Li2.71.1Cl6の還元体のX線回折パターンを示す図である。 図2は、実施の形態1における負極材料の一例である負極材料1000の概略構成を示す断面図である。 図3は、実施の形態2における電池の一例である電池2000の概略構成を示す断面図である。
 以下、本開示の実施の形態が、図面を参照しながら説明される。
(実施の形態1)
 実施の形態1における負極材料は、第1固体電解質材料(以下、「ハロゲン化物固体電解質材料」とも記載する)の還元体(以下、「ハロゲン化物還元体」とも記載する。)と、導電助剤とを含む。ハロゲン化物固体電解質材料は、下記の式(1)により表される材料である。
 Liαβγ ・・・式(1)
 ここで、上記式(1)において、α、β、およびγは、いずれも0より大きい値である。また、Mは、Li以外の金属元素および半金属元素からなる群より選ばれる少なくとも一種の元素である。Xは、F、Cl、Br、およびIからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素である。
 なお、「半金属元素」とは、B、Si、Ge、As、Sb、およびTeである。
 また、「金属元素」とは、
 (i)水素を除く、周期表1族から12族中に含まれるすべての元素、および、
 (ii)B、Si、Ge、As、Sb、Te、C、N、P、O、S、およびSeを除く、周期表13族から16族中に含まれるすべての元素、である。すなわち、「金属元素」は、ハロゲン化物と無機化合物を形成した際に、カチオンとなりうる元素群である。
 実施の形態1の負極材料は、以上の構成により、電池の充放電効率を向上させることができる。なお、充放電効率は、以下の式で求められる。
充放電効率(%)=(放電容量/充電容量)×100
 上述のとおり、「背景技術」の欄に記載された非特許文献1には、硫化物固体電解質材料の還元体(以下、「硫化物還元体」とも記載する)を負極材料とした電池が開示されている。本発明者らは、鋭意検討の結果、硫化物還元体を負極材料として用いた電池では、硫化物還元体の電子伝導性およびイオン伝導性が低い等の理由により、電池の充放電効率が低下する課題を有することを見出した。上記のハロゲン化物還元体は、良好な電子伝導性およびイオン伝導性を示す。すなわち、実施の形態1の負極材料は、良好な電子伝導性とイオン伝導性とを示すハロゲン化物還元体と、電子伝導を補助する導電助剤とを含むため、電池の充放電効率を向上させることができる。
 実施の形態1におけるハロゲン化物固体電解質材料が、上記式(1)において、
 1≦α≦5、
 0<β≦2、および
 5.5≦γ≦6.5
を満たしてもよい。
 また、実施の形態1におけるハロゲン化物固体電解質材料は、上記式(1)において、
 1.5≦α≦4.5、
 0.5≦β≦1.5、および
 γ=6
を満たしてもよい。
 また、実施の形態1におけるハロゲン化物固体電解質材料は、上記式(1)において、例えばα=2.7、β=1.1、およびγ=6を満たしてもよい。
 以上の構成によれば、電池の充放電効率をより向上させることができる。
 実施の形態1におけるハロゲン化物固体電解質材料が、上記式(1)において、α+mβ=γの関係を満たしてもよい。ここで、mはMの価数である。なお、Mが複数種の元素を含む場合、mβは、各元素の組成比に当該元素の価数をかけた値の合計となる。例えば、Mが、元素M1と元素M2とを含む場合であって、元素M1の組成比がβ1で元素M1の価数がm1、元素M2の組成比がβ2で元素M2の価数がm2である場合、mβ=m1β1+m2β2となる。また、元素Mの価数が複数考えうる場合は、それらの考えうる価数をmとして用いた場合に上記関係式が満たされればよい。
 以上の構成によれば、電池の充放電効率をより向上させることができる。
 上記式(1)において、Mは、遷移金属元素からなる群より選ばれる少なくとも一種の元素を含んでもよい。
 以上の構成によれば、電池の充放電効率をより向上させることができる。
 上記式(1)において、Mは、イットリウム(=Y)を含んでいてもよい。すなわち、ハロゲン化物固体電解質材料は、金属元素としてYを含んでいてもよい。
 Yを含むハロゲン化物固体電解質材料は、例えば、下記の式(2)により表されてもよい。
 LiaMebc6 ・・・式(2)
 ここで、上記式(2)において、a、b、およびcは、a+meb+3c=6、かつ、c>0を満たし、Meは、LiおよびY以外の金属元素および半金属元素からなる群より選ばれる少なくとも一種の元素である。また、meは、Meの価数である。なお、Meが複数種の元素を含む場合、mebは、各元素の組成比に当該元素の価数をかけた値の合計となる。例えば、Meが、元素Me1と元素Me2とを含む場合であって、元素Me1の組成比がb1で元素Me1の価数がme1、元素Me2の組成比がb2で元素Me2の価数がme2である場合、meb=me11+me22となる。なお、Me1は、Mg、Ca、Sr
、Ba、Zn、Sc、Al、Ga、Bi、Zr、Hf、Ti、Sn、Ta、およびNbからなる群より選ばれる少なくとも一種であってもよい。また、元素Meの価数が複数考えうる場合は、それらの考えうる価数をmeとして用いた場合に上記関係式が満たされればよい。
 実施の形態1における負極材料において、ハロゲン化物固体電解質材料が上記式(2)を満たす場合、電池の充放電効率をより向上させることができる。
 実施の形態1におけるハロゲン化物固体電解質材料は、下記の組成式(3)により表される材料であってもよい。
 Li6-3dd6・・・式(3)
 ここで、組成式(3)において、Xは、Cl、Br、およびIからなる群より選択される二種以上の元素である。また、組成式(3)において、dは、0<d<2を満たす。
 実施の形態1における負極材料において、ハロゲン化物固体電解質材料が上記式(3)を満たす場合、実施の形態1における負極材料は、電池のサイクル特性を向上させ、さらに電池の充放電効率も向上させうる。さらに、上記式(3)を満たすハロゲン化物固体電解質材料は、高イオン伝導性を有するので、効率よくハロゲン化物還元体を生成できる。
 実施の形態1におけるハロゲン化物固体電解質材料は、下記の組成式(4)により表される材料であってもよい。
 Li3YX6・・・式(4)
 ここで、組成式(4)において、Xは、Cl、Br、およびIからなる群より選択される二種以上の元素である。すなわち、上記の組成式(3)において、dは1であってもよい。
 実施の形態1における負極材料において、ハロゲン化物固体電解質材料が上記式(4)を満たす場合、実施の形態1における負極材料は、電池のサイクル特性を向上させ、さらに電池の充放電効率も向上させうる。さらに、上記式(4)を満たすハロゲン化物固体電解質材料は、高イオン伝導性を有するので、効率よくハロゲン化物還元体を生成できる。
 実施の形態1におけるハロゲン化物固体電解質材料は、下記の組成式(5)により表される材料であってもよい。
 Li3-3δ1+δCl6・・・式(5)
 ここで、組成式(5)において、0<δ≦0.15、が満たされる。
 実施の形態1における負極材料において、ハロゲン化物固体電解質材料が上記式(5)を満たす場合、実施の形態1における負極材料は、電池のサイクル特性を向上させ、さらに電池の充放電効率も向上させうる。さらに、上記式(5)を満たすハロゲン化物固体電解質材料は、高イオン伝導性を有するので、効率よくハロゲン化物還元体を生成できる
 実施の形態1におけるハロゲン化物固体電解質材料は、下記の組成式(6)により表される材料であってもよい。
 Li3-3δ1+δBr6・・・式(6)
 ここで、組成式(6)において、0<δ≦0.25、が満たされる。
 実施の形態1における負極材料において、ハロゲン化物固体電解質材料が上記式(6)を満たす場合、実施の形態1における負極材料は、電池のサイクル特性を向上させ、さらに電池の充放電効率も向上させうる。さらに、上記式(6)を満たすハロゲン化物固体電解質材料は、高イオン伝導性を有するので、効率よくハロゲン化物還元体を生成できる。
 実施の形態1におけるハロゲン化物固体電解質材料は、下記の組成式(7)により表される材料であってもよい。
 Li3-3δ+a1+δ-aMeaCl6-x-yBrxy ・・・式(7)
 ここで、組成式(7)において、Meは、Mg、Ca、Sr、Ba、およびZnからなる群より選択される少なくとも一種の元素である。さらに、組成式(7)においては、
-1<δ<2、
0<a<3、
0<(3-3δ+a)、
0<(1+δ-a)、
0≦x≦6、
0≦y≦6、および
(x+y)≦6、
が満たされる。
 実施の形態1における負極材料において、ハロゲン化物固体電解質材料が上記式(7)を満たす場合、実施の形態1における負極材料は、電池のサイクル特性を向上させ、さらに電池の充放電効率も向上させうる。さらに、上記式(7)を満たすハロゲン化物固体電解質材料は、高イオン伝導性を有するので、効率よくハロゲン化物還元体を生成できる。
 実施の形態1におけるハロゲン化物固体電解質材料は、下記の組成式(8)により表される材料であってもよい。
 Li3-3δ1+δ-aMeaCl6-x-yBrxy ・・・式(8)
 ここで、組成式(8)において、Meは、Al、Sc、Ga、およびBiからなる群より選択される少なくとも一種の元素である。さらに、組成式(8)においては、
-1<δ<1、
0<a<2、
0<(1+δ-a)、
0≦x≦6、
0≦y≦6、および
(x+y)≦6、
が満たされる。
 実施の形態1における負極材料において、ハロゲン化物固体電解質材料が上記式(8)を満たす場合、実施の形態1における負極材料は、電池のサイクル特性を向上させ、さらに電池の充放電効率も向上させうる。さらに、上記式(8)を満たすハロゲン化物固体電解質材料は、高イオン伝導性を有するので、効率よくハロゲン化物還元体を生成できる。
 実施の形態1におけるハロゲン化物固体電解質材料は、下記の組成式(9)により表される材料であってもよい。
 Li3-3δ-a1+δ-aMeaCl6-x-yBrxy ・・・式(9)
 ここで、組成式(9)において、Meは、Zr、Hf、およびTiからなる群より選択される少なくとも一種の元素である。さらに、組成式(9)においては、
-1<δ<1、
0<a<1.5、
0<(3-3δ-a)、
0<(1+δ-a)、
0≦x≦6、
0≦y≦6、および
(x+y)≦6、
が満たされる。
 実施の形態1における負極材料において、ハロゲン化物固体電解質材料が上記式(9)を満たす場合、実施の形態1における負極材料は、電池のサイクル特性を向上させ、さらに電池の充放電効率も向上させうる。さらに、上記式(9)を満たすハロゲン化物固体電解質材料は、高イオン伝導性を有するので、効率よくハロゲン化物還元体を生成できる。
 実施の形態1におけるハロゲン化物固体電解質材料は、下記の組成式(10)により表される材料であってもよい。
 Li3-3δ-2a1+δ-aMeaCl6-x-yBrxy ・・・式(10)
 ここで、組成式(10)において、Meは、TaおよびNbからなる群より選択される少なくとも一種の元素である。さらに、組成式(10)においては、
-1<δ<1、
0<a<1.2、
0<(3-3δ-2a)、
0<(1+δ-a)、
0≦x≦6、
0≦y≦6、および
(x+y)≦6、
が満たされる。
 実施の形態1における負極材料において、ハロゲン化物固体電解質材料が上記式(10)を満たす場合、実施の形態1における負極材料は、電池のサイクル特性を向上させ、さらに電池の充放電効率も向上させうる。さらに、上記式(10)を満たすハロゲン化物固体電解質材料は、高イオン伝導性を有するので、効率よくハロゲン化物還元体を生成できる。
 実施の形態1におけるハロゲン化物固体電解質材料の具体例として、例えば、Li2.71.1Cl6、Li3YBr3Cl3、Li3YBr6、Li2.5Zr0.50.5Cl6、Li3YBr2Cl22、Li3.10.9Ca0.1Cl6、Li30.8Al0.2Cl6、Li2.50.5Hf0.5Cl6、Li2.80.9Ta0.1Cl6、Li4.50.475Bi0.025Cl6、Li1.51.425Bi0.075Cl6、などが挙げられる。
 実施の形態1における負極材料において、以上に例示された材料をハロゲン化物固体電解質材料とする場合、実施の形態1における負極材料は、電池のサイクル特性を向上させ、さらに電池の充放電効率も向上させうる。さらに、以上に例示された材料は、高イオン伝導性を有するので、効率よくハロゲン化物還元体を生成できる。
 実施の形態1におけるハロゲン化物固体電解質材料としては、上記の他に、例えば、公知の固体電解質材料のうち、上記式(1)を満たすものを用いてもよい。
 実施の形態1におけるハロゲン化物還元体は、Cu-Kα線を線源として用いたX線回折測定によって得られるX線回折パターンにおいて、回折角2θの値がθa以上θb以下の範囲内にピークトップが存在してもよい。
 ここで、θbは、ハロゲン化物還元体に含まれるハロゲン(=X)とLiとからなるLiXの(220)面を反映するピークのピークトップの回折角2θの値である。LiXの(220)面のピークとは、LiCl、LiBr、およびLiIなどの空間群Fm-3mに属する結晶構造を有する岩塩型構造のミラー指数hklにおける(220)面によるピークである。なお、ハロゲン化物還元体に含まれるハロゲンが2種以上である場合は、θbを決定するためのハロゲンとしてより原子番号が小さいハロゲンが選択される。
 また、θaは、ハロゲン化物固体電解質材料に由来するピークのピークトップの回折角2θの値であって、かつ前記θbに最も近い値である。
 以上の構成によれば、実施の形態1における負極材料は、電池の充放電効率をより向上させることができる。具体的には、Li吸蔵に伴い、ハロゲン化物還元体に由来するピークはθaからθbにシフトする。一方、Li放出に伴い、ハロゲン化物還元体に由来するピークはθbからθaにシフトする。Li吸蔵および放出に伴い、ハロゲン化物還元体の結晶構造が収縮および膨張すると考えられる。このため、ハロゲン化物還元体を含む負極材料は、充放電効率を向上させると推察される。
 ここで、ハロゲン化物固体電解質材料の還元体の一例である、Li2.71.1Cl6の還元体を例に挙げて、ハロゲン化物固体電解質材料とその還元体とのX線回折パターンを確認する。なおLi2.71.1Cl6は、後述の実施例1で用いられているハロゲン化物固体電解質材料である。以下、Li2.71.1Cl6を「LYC」と記載することがある。
 LYCは、実施例1に記載された方法と同様の方法で作製されたものである。さらに、実施例2に記載された方法と同様の方法で、ガラスセラミックス状の固体電解質材料であるLi2S-P25(以下、「LPS」とも記載する)も作製された。
 まず、絶縁性外筒の中で、0.44molのLPSと、0.022molのLYCとを、この順に積層した。これを370MPaの圧力で加圧成形することで、LPS-LYC積層体を得た。積層体におけるLYCにステンレス鋼のピンを配置することで、LYCからなる作用極を得た。
 次に、積層体におけるLPSに接するように、金属In(厚さ200μm)、金属Li(厚さ300μm)、および金属In(厚さ200μm)をこの順に積層し、これを80MPaの圧力で加圧成形することでIn-Li合金を作製した。In-Li合金にステンレス鋼のピンを配置することで、In-Li合金からなる参照極兼対極を得た。これにより、SUS|LYC|LPS|In-Li合金からなる2極式の電気化学セルが得られた。
 次に、絶縁性フェルールを用いて、絶縁性外筒内部を外気雰囲気から遮断および密閉した。
 最後に、4本のボルトで電気化学セルを上下から拘束することで、電気化学セルに面圧150MPaを印加した。
 以上により、LYCの還元体を作製するための電気化学セルが作製された。
 上述の電気化学セルを用いて、以下の条件で、LYCの還元体(以下、「red-LYC」と記載する)を作製した。
 電気化学セルを70℃の恒温槽に配置した。次に、電気化学セルに対して、電流値0.1mA/cm2の電流密度で、LYC1分子に対して1電子分の電流量を印加したところで電流印加を終了して得られた作用極をred-LYC(1e充電)サンプルとし、LYC1分子に対して2電子分の電流量を印加したところで電流印加を終了して得られた作用極をred-LYC(2e充電)サンプルとした。また、電気化学セルに対して、電流値0.1mA/cm2の電流密度で電流を印加して、作用極の電位を-0.6V(vs LiIn)まで下げたものの作用極を、red-LYC(満充電)サンプルとした。
 また、電流値0.1mA/cm2の電流密度で作用極の電位を-0.6V(vs LiIn)まで下げたものに対して、逆方向に電流値0.1mA/cm2の電流密度で、LYCに対して1電子分の電流量を印加したところで電流印加を終了して得られた作用極をred-LYC(1e放電)サンプルとした。また、電流値0.1mA/cm2の電流密度で作用極の電位を-0.6V(vs LiIn)まで下げたものに対して、逆方向に電流値0.1mA/cm2の電流密度で電流を印加し、作用極の電位を1.9V(vs LiIn)まで上げたものの作用極を、red-LYC(満放電)サンプルとした。
 図1は、上記red-LYCサンプルのX線回折パターンを示すグラフである。図1に示される結果は、下記の方法により、測定された。
 全自動多目的X線回折装置(RIGAKU社、SmartLab)を用いて、露点-50℃以下のドライ環境でred-LYCのX線回折パターンを測定した。X線源については、Cu-Kα1線を用いた。すなわち、Cu-Kα線(波長1.5405Å、すなわち、0.15405nm)をX線として用いて、θ-2θ法でX線回折パターンを測定した。
 red-LYCのX線回折ピークのピークトップは、いずれも、LYC由来のX線回折ピークのピークトップ位置(すなわち、θaの位置)とLiClのピークのピークトップ位置(すなわち、θbの位置)との間に存在した。なお、図1に示されたLiClのピークは、無機結晶構造データベース(ICSD)に掲載されているデータに基づいて記載されている(ICSD No.26909)。
 図1に示されているように、red-LYCのX線回折ピークは、充電(Li吸蔵)に伴いLYC由来のX線回折ピークのピークトップ位置(すなわち、θaの位置)からLiClのピークのピークトップ位置(すなわち、θbの位置)にシフトし、放電(Li放出)に伴いLiClのX線回折ピークのピークトップ位置からLYCのピークのピークトップ位置にシフトしている。
 実施の形態1における、ハロゲン化物還元体の形状は、特に限定されるものではない。ハロゲン化物還元体の形状は、例えば、針状、球状、および楕円球状などであってもよい。例えば、ハロゲン化物還元体の形状は、粒子状であってもよい。
 ハロゲン化物還元体の製造方法は、特に限定されるものではなく、ハロゲン化物固体電解質材料を還元しうる公知の方法を用いることができる。例えば、電気化学的手法が挙げられる。例えば、上記LYCの製造方法と同様に、対極にLi含有化合物、作用極にハロゲン化物固体電解質材料を用いた電気化学セルを準備する。このセルに定電流を掃引し、作用極のハロゲン化物固体電解質材料を還元することによって、ハロゲン化物還元体を作製することができる。
 実施の形態1の負極材料に含まれる導電助剤としては、例えば、天然黒鉛および人造黒鉛のグラファイト類、アセチレンブラックおよびケッチェンブラックなどのカーボンブラック類、炭素繊維および金属繊維などの導電性繊維類、フッ化カーボンおよびアルミニウムなどの金属粉末類、酸化亜鉛およびチタン酸カリウムなどの導電性ウィスカー類、酸化チタンなどの導電性金属酸化物、並びに、ポリアニリン、ポリピロール、およびポリチオフェンなどの導電性高分子化合物、など、が用いられうる。炭素系材料を導電助剤として用いた場合、低コスト化を図ることができる。
 実施の形態1における負極材料において、導電助剤はアセチレンブラックを含んでいてもよい。導電助剤は、アセチレンブラックのみからなっていてもよい。実施の形態1における負極材料が導電助剤としてアセチレンブラックを含む場合、電池の充放電効率をより向上させることができる。
 実施の形態1における負極材料は、第2固体電解質材料をさらに含んでもよい。
 以上の構成によれば、電池の充放電効率および放電容量をより向上させることができる。
 また、第2固体電解質材料のリチウムに対する還元電位は、第1固体電解質材料のリチウムに対する還元電位より卑であってもよい。
 第2固体電解質材料のリチウムに対する還元電位が、第1固体電解質材料のリチウムに対する還元電位よりも卑である場合、ハロゲン化物還元体がLiの吸蔵および放出する際に、第2固体電解質材料は分解しない。このため、実施の形態1における負極材料は、良好なイオン伝導性を担保することができ、電池の充放電効率および放電容量を向上させることができる。
 なお、固体電解質材料のリチウムに対する還元電位は、例えば、次の方法で測定される。
 まず、絶縁性外筒の中で、SUS箔、固体電解質材料、およびリチウム箔を、この順に積層する。これを加圧成形することで、積層体を作製する。次に、積層体の上下にステンレス鋼集電体を配置し、集電体に集電リードを付設する。最後に、絶縁性フェルールを用いて、絶縁性外筒を外気雰囲気から遮断・密閉することで、還元電位測定用セルを作製する。
 得られた還元電位測定用セルを25℃の恒温槽に配置する。サイクリックボルタンメトリー測定により、リチウム基準電位で-0.5V~6Vまでを5mV/sの速度で電位走査することでリチウムに対する還元電位を測定する。
 第2固体電解質材料として、例えば、硫化物固体電解質材料および酸化物固体電解質材料が用いられうる。
 硫化物固体電解質材料としては、Li2S-P25、Li2S-SiS2、Li2S-B23、Li2S-GeS2、Li3.25Ge0.250.754、Li10GeP212、など、が用いられうる。また、これらに、LiX(X:F、Cl、Br、I)、Li2O、MOq、LipMOq(M:P、Si、Ge、B、Al、Ga、In、Fe、およびZnからなる群より選ばれる少なくとも一種)(p、q:自然数)などが、添加されてもよい。
 酸化物固体電解質材料としては、例えば、LiTi2(PO43およびその元素置換体を代表とするNASICON型固体電解質材料、(LaLi)TiO3系のペロブスカイト型固体電解質材料、Li14ZnGe416、Li4SiO4、LiGeO4およびその元素置換体を代表とするLISICON型固体電解質材料、Li7La3Zr212およびその元素置換体を代表とするガーネット型固体電解質材料、Li3NおよびそのH置換体、Li3PO4およびそのN置換体、LiBO2、Li3BO3などのLi-B-O化合物をベースとして、Li2SO4、Li2CO3などが添加されたガラス、ガラスセラミックスなど、が用いられうる。
 第2固体電解質材料は、硫化物固体電解質材料を含んでいてもよい。例えば、第2固体電解質材料は、Li2S-P25を含んでいてもよい。Li2S-P25はイオン伝導度が高く、還元に対して安定である。このため、Li2S-P25を含むことにより、実施の形態1の負極材料は、電池の充放電効率および放電容量をより向上することができる。
 第2固体電解質材料の形状は、特に限定されるものではなく、例えば、針状、球状、楕円球状、など、であってもよい。例えば、第2固体電解質材料の形状は、粒子状であってもよい。
 図2は、実施の形態1における負極材料の一例である負極材料1000の概略構成を示す断面図である。この例では、ハロゲン化物還元体の形状は粒子状(例えば、球状)であり、第2固体電解質材料の形状は粒子状(例えば、球状)である。
 実施の形態1における負極材料1000はハロゲン化物還元体粒子101と、第2固体電解質粒子102と、導電助剤103と、を含む。
 たとえば、実施の形態1におけるハロゲン化物還元体粒子101の形状が粒子状(例えば、球状)の場合、ハロゲン化物還元体粒子101のメジアン径は、0.1μm以上かつ100μm以下であってもよい。なお、本明細書において、粒子のメジアン径は、レーザー回折散乱法によって体積基準で測定された粒度分布から求められる、体積累積50%に相当する粒径(d50)を意味する。
 ハロゲン化物還元体粒子101のメジアン径が0.1μm以上であると、負極材料1000において、ハロゲン化物還元体粒子101と第2固体電解質粒子102とが、負極材料1000において良好な分散状態を形成できる。これにより、電池の充放電特性が向上する。また、ハロゲン化物還元体粒子101のメジアン径が100μm以下であると、ハロゲン化物還元体粒子101内のリチウム拡散が速くなる。このため、電池の高出力での動作が容易となる。
 ハロゲン化物還元体粒子101のメジアン径は、第2固体電解質粒子102のメジアン径よりも、大きくてもよい。これにより、ハロゲン化物還元体粒子101と第2固体電解質粒子102とが、良好な分散状態を形成できる。
 第2固体電解質粒子102のメジアン径は、100μm以下であってもよい。メジアン径が100μm以下であると、ハロゲン化物還元体粒子101と第2固体電解質粒子102とが、負極材料において良好な分散状態を形成できる。このため、充放電特性が向上する。
 また、第2固体電解質粒子102のメジアン径は、10μm以下であってもよい。
 以上の構成によれば、負極材料において、ハロゲン化物還元体粒子101と第2固体電解質粒子102とが、良好な分散状態を形成できる。
 実施の形態1における負極材料1000は、複数のハロゲン化物還元体粒子101と、複数の第2固体電解質粒子102、とを含んでもよい。
 また、実施の形態1における負極材料1000における、ハロゲン化物還元体粒子101の含有量と第2固体電解質粒子102の含有量とは、互いに、同じであってもよいし、異なってもよい。
 実施の形態1における負極材料は、ハロゲン化物還元体、導電助剤、および第2固体電解質材料以外の材料を含んでいてもよい。実施の形態1における負極材料は、例えば、負極活物質、結着剤を含んでいてもよい。なお、結着剤としては、後述の、実施の形態2において負極、電解質層、および正極のうちの少なくとも1つに含まれる結着剤として例示されている材料が使用されうる。
 実施の形態1における負極材料は、金属イオン(例えば、リチウムイオン)を吸蔵および放出する特性を有する負極活物質を含んでもよい。負極活物質として、例えば、金属材料、炭素材料、酸化物、窒化物、錫化合物、および珪素化合物、など、が使用されうる。金属材料は、単体の金属であってもよい。もしくは、金属材料は、合金であってもよい。金属材料の例として、リチウム金属、リチウム合金、など、が挙げられる。炭素材料の例として、天然黒鉛、コークス、黒鉛化途上炭素、炭素繊維、球状炭素、人造黒鉛、非晶質炭素、など、が挙げられる。
 実施の形態1における負極材料は、ハロゲン化物還元体を、例えば30質量%以上含んでいてもよいし、80質量%以上含んでいてもよい。負極材料がハロゲン化物還元体を30質量%以上含む場合、電池のエネルギー密度を十分に確保できる。
 以上の構成によれば、実施の形態1における負極材料は、電池の充放電効率を向上させることができる。
 実施の形態1における負極材料は、導電助剤を、例えば20質量%以下含んでいてもよいし、10質量%以下含んでいてもよい。負極材料が導電助剤を20質量%以下含む場合、電池のエネルギー密度を十分に確保できる。
 以上の構成によれば、実施の形態1における負極材料は、電池の充放電効率を向上させることができる。
 実施の形態1における負極材料は、第2固体電解質材料を、例えば70質量%以下含んでいてもよいし、20質量%以下含んでいてもよい。
 以上の構成によれば、実施の形態1における負極材料は、電池の充放電効率を向上させることができる。
 実施の形態1における負極材料において、ハロゲン化物還元体と第2固体電解質材料との体積比率「v:100-v」(ここで、vは、ハロゲン化物還元体の体積比率を示す)について、30≦v≦95が満たされてもよい。30≦vの場合、十分な電池のエネルギー密度を確保することができる。また、v≦95の場合、高出力での動作が容易となる。
 実施の形態1における負極材料は、例えば、あらかじめ作製されたハロゲン化物固体電解質材料の還元体と、導電助剤と、第2固体電解質材料を添加する場合は第2固体電解質材料と、を混合することによって作製しうる。他の方法として、実施の形態1における負極材料は、例えば、ハロゲン化物固体電解質材料と、導電助剤と、第2固体電解質材料とを混合し、得られた混合物を作用極とし、Li含有化合物を対極とする電気化学セルを準備して、このセルに定電流を掃引することで作用極のハロゲン化物固体電解質材料を還元することによって、作製することができる。
 (実施の形態2)
 以下、実施の形態2が説明される。上述の実施の形態1と重複する説明は、適宜、省略される。
 図3は、実施の形態2における電池の概略構成を示す断面図である。
 実施の形態2における電池2000は、負極201と、電解質層202と、正極203とを備える。
 負極201は、上述の実施の形態1と同様の負極材料1000を含む。
 電解質層202は、負極201と正極203との間に配置される。
 以上の構成により、実施の形態2の電池は、充放電効率を向上させることができる。
 なお、負極201は、上述の実施の形態1における負極材料1000のみからなっていてもよい。
 以上の構成によれば、実施の形態2の電池は、電池の充放電効率をより向上させることができる。
 負極201の厚みは、10μm以上かつ500μm以下であってもよい。負極の厚みを10μm以上とすることで、十分なエネルギー密度を確保することができる。また、負極の厚みを500μm以下とすることで、高出力での動作が容易となる。すなわち、負極201の厚みが適切に調整されていると、電池のエネルギー密度を十分に確保できるとともに、電池を高出力で動作させることができる。
 電解質層202は、電解質材料を含む層である。当該電解質材料は、例えば、固体電解質材料である。すなわち、電解質層202は、固体電解質層であってもよい。
 電解質層202に含まれる固体電解質材料としては、例えば、ハロゲン化物固体電解質材料、硫化物固体電解質材料、酸化物固体電解質材料、高分子固体電解質材料、および錯体水素化物固体電解質材料が用いられうる。
 ハロゲン化物固体電解質材料には、実施の形態1における負極材料に含まれるハロゲン化物還元体の還元前のハロゲン化物固体電解質材料と同じものが用いられてもよいし、これとは異なる別のハロゲン化物固体電解質材料が用いられてもよい。
 硫化物固体電解質材料としては、Li2S-P25、Li2S-SiS2、Li2S-B23、Li2S-GeS2、Li3.25Ge0.250.754、Li10GeP212、など、が用いられうる。また、これらに、LiX(X:F、Cl、Br、I)、Li2O、MOq、LipMOq(M:P、Si、Ge、B、Al、Ga、In、Fe、およびZnからなる群より選ばれる少なくとも一種)(p、q:自然数)などが、添加されてもよい。
 酸化物固体電解質材料としては、例えば、LiTi2(PO43およびその元素置換体を代表とするNASICON型固体電解質材料、(LaLi)TiO3系のペロブスカイト型固体電解質材料、Li14ZnGe416、Li4SiO4、LiGeO4およびその元素置換体を代表とするLISICON型固体電解質材料、Li7La3Zr212およびその元素置換体を代表とするガーネット型固体電解質材料、Li3NおよびそのH置換体、Li3PO4およびそのN置換体、LiBO2、Li3BO3などのLi-B-O化合物をベースとして、Li2SO4、Li2CO3などが添加されたガラス、ガラスセラミックスなど、が用いられうる。
 高分子固体電解質材料としては、例えば、高分子化合物と、リチウム塩との化合物が用いられうる。高分子化合物はエチレンオキシド構造を有していてもよい。エチレンオキシド構造を有することで、リチウム塩を多く含有することができ、イオン導電率をより高めることができる。リチウム塩としては、LiPF6、LiBF4、LiSbF6、LiAsF6、LiSO3CF3、LiN(SO2CF32、LiN(SO2252、LiN(SO2CF3)(SO249)、LiC(SO2CF33、など、が使用されうる。リチウム塩として、これらから選択される1種のリチウム塩が、単独で、使用されうる。もしくは、リチウム塩として、これらから選択される2種以上のリチウム塩の混合物が、使用されうる。
 錯体水素化物固体電解質材料としては、例えば、LiBH4-LiI、LiBH4-P25など、が用いられうる。
 なお、電解質層202は、固体電解質材料を、主成分として、含んでもよい。すなわち、電解質層202は、固体電解質材料を、例えば、電解質層202の全体に対する質量割合で50%以上(50質量%以上)、含んでもよい。
 以上の構成によれば、電池の充放電特性を、より向上させることができる。
 また、電解質層202は、固体電解質材料を、例えば、電解質層202の全体に対する質量割合で70%以上(70質量%以上)、含んでもよい。
 以上の構成によれば、電池の充放電特性を、より向上させることができる。
 なお、電解質層202は、固体電解質材料を主成分として含みながら、さらに、不可避的な不純物、または、固体電解質材料を合成する際に用いられる出発原料および副生成物および分解生成物など、を含んでいてもよい。
 また、電解質層202は、固体電解質材料を、例えば、混入が不可避的な不純物を除いて、電解質層202の全体に対する質量割合で100%(100質量%)、含んでもよい。
 以上の構成によれば、電池の充放電特性を、より向上させることができる。
 以上のように、電解質層202は、固体電解質材料のみから構成されていてもよい。
 なお、電解質層202は、固体電解質材料として挙げられた材料のうちの2種以上を含んでもよい。例えば、電解質層202は、ハロゲン化物固体電解質材料と硫化物固体電解質材料とを含んでもよい。
 電解質層202の厚みは、1μm以上かつ300μm以下であってもよい。電解質層202の厚みが1μm以上の場合には、負極201と正極203とが短絡する可能性が低くなる。また、電解質層202の厚みが300μm以下の場合には、高出力での動作が容易となる。すなわち、電解質層202の厚みが適切に調整されていると、電池の十分な安全性を確保できるとともに、電池を高出力で動作させることができる。
 正極203は、正極活物質粒子と固体電解質粒子とを含む。
 正極203は、金属イオン(例えば、リチウムイオン)を吸蔵および放出する特性を有する正極活物質材料を含む。正極活物質には、リチウム含有遷移金属酸化物、遷移金属フッ化物、ポリアニオン材料、フッ素化ポリアニオン材料、遷移金属硫化物、遷移金属オキシ硫化物、および遷移金属オキシ窒化物、など、が用いられうる。特に、正極活物質として、リチウム含有遷移金属酸化物を用いた場合には、製造コストを安くでき、平均放電電圧を高めることができる。リチウム含有遷移金属酸化物としては、Li(NiCoAl)O2、Li(NiCoMn)O2、LiCoO2、などが挙げられる。
 正極203は、固体電解質材料を含んでもよい。固体電解質材料としては、電解質層202を構成する材料として例示された固体電解質材料を用いてもよい。以上の構成によれば、正極203内部のリチウムイオン伝導性が高くなり、高出力での動作が可能となる。
 正極活物質粒子のメジアン径は、0.1μm以上かつ100μm以下であってもよい。正極活物質粒子のメジアン径が0.1μm以上であると、正極において、正極活物質粒子と固体電解質材料とが、良好な分散状態を形成できる。これにより、電池の充放電特性が向上する。また、正極活物質粒子のメジアン径が100μm以下であると、正極活物質粒子内のリチウム拡散が速くなる。このため、電池の高出力での動作が容易となる。すなわち、正極活物質粒子が適切な大きさを有していると、優れた充放電特性を有し、かつ高出力での動作が可能な電池が得られる。
 正極活物質粒子のメジアン径は、固体電解質材料のメジアン径よりも、大きくてもよい。これにより、正極活物質粒子と固体電解質材料との良好な分散状態を形成できる。
 正極203に含まれる、正極活物質粒子と固体電解質材料の体積比率「v:100-v」(ここで、vは、正極活物質粒子の体積比率を示す)について、30≦v≦95が満たされてもよい。30≦vでは、十分な電池のエネルギー密度を確保することができる。また、v≦95では、電池の高出力での動作が容易となる。
 正極203の厚みは、10μm以上かつ500μm以下であってもよい。正極の厚みが10μm以上の場合には、十分な電池のエネルギー密度を確保することができる。また、正極の厚みが500μm以下の場合には、電池の高出力での動作が可能となる。すなわち、正極203の厚みが適切な範囲に調整されていると、電池のエネルギー密度を十分に確保できるとともに、電池を高出力で動作させることができる。
 負極201、電解質層202、および正極203のうちの少なくとも1つには、結着剤が含まれてもよい。結着材により、粒子同士の密着性を向上しうる。結着剤は、電極を構成する材料の結着性を向上しうる。結着剤としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、アラミド樹脂、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリアクリルニトリル、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸メチルエステル、ポリアクリル酸エチルエステル、ポリアクリル酸ヘキシルエステル、ポリメタクリル酸、ポリメタクリル酸メチルエステル、ポリメタクリル酸エチルエステル、ポリメタクリル酸ヘキシルエステル、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルピロリドン、ポリエーテル、ポリエーテルサルフォン、ヘキサフルオロポリプロピレン、スチレンブタジエンゴム、カルボキシメチルセルロース、など、が挙げられる。また、結着剤としては、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、パーフルオロアルキルビニルエーテル、フッ化ビニリデン、クロロトリフルオロエチレン、エチレン、プロピレン、ペンタフルオロプロピレン、フルオロメチルビニルエーテル、アクリル酸、およびヘキサジエンからなる群より選択された二種以上の材料の共重合体が用いられうる。また、これらのうちから選択された二種以上が混合されて、結着剤として用いられてもよい。
 負極201と正極203との少なくとも1つは、導電助剤を含んでもよい。導電助剤により電子導電性を高めうる。導電助剤としては、例えば、天然黒鉛または人造黒鉛のグラファイト類、アセチレンブラック、ケッチェンブラックなどのカーボンブラック類、炭素繊維または金属繊維などの導電性繊維類、フッ化カーボン、アルミニウムなどの金属粉末類、酸化亜鉛またはチタン酸カリウムなどの導電性ウィスカー類、酸化チタンなどの導電性金属酸化物、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェンなどの導電性高分子化合物、など、が用いられうる。炭素導電助剤を用いた場合、低コスト化を図ることができる。
 なお、実施の形態2における電池は、コイン型、円筒型、角型、シート型、ボタン型、扁平型、積層型、など、種々の形状の電池として、構成されうる。
 電池の作動温度は、特に限定されるものではないが、-50℃~100℃であってもよい。温度が高いほど、ハロゲン化物還元体のイオン伝導率が向上し、高出力動作を図ることができる。
 実施の形態2における電池は、例えば、正極形成用の材料、電解質層形成用の材料、負極形成用の材料をそれぞれ準備し、公知の方法で、正極、電解質層、および負極がこの順に配置された積層体を作製することによって製造してもよい。
 また、他の製造方法として、例えば、以下の方法を用いることも可能である。
 まず、正極と、電解質層と、実施の形態1における負極材料に含まれるハロゲン化物還元体の還元前の状態であるハロゲン化物固体電解質材料を含む負極前駆体層とがこの順で配置された積層体を作製する。
 次に、この積層体に定電流を印加する。この場合、正極が対極として機能し、負極前駆体層が作用極として機能して、負極前駆体層のハロゲン化物固体電解質材料が還元される。これにより、正極と、電解質層と、ハロゲン化物還元体および導電助剤を含む負極と、を備えた、実施の形態2の電池が得られる。
 すなわち、実施の形態2の電池の製造方法の一例は、
 正極と、電解質層と、導電助剤および実施の形態1における負極材料に含まれるハロゲン化物還元体の還元前の状態であるハロゲン化物固体電解質材料を含む負極前駆体層とがこの順で配置された積層体を作製することと、
 前記積層体に電流を印加することと、
を含む。
(実施例)
 以下、実施例および比較例を用いて、本開示の詳細が説明される。なお、本開示の負極材料および電池は、以下の実施例に限定されない。
 <実施例1>
 [第1固体電解質材料の作製]
 露点-60℃以下のアルゴングローブボックス内で、原料粉末としてLiClとYCl3とを、LiCl:YCl3=2.7:1.1のモル比で秤量した。その後、これらの原料粉末を混合し、得られた混合物を、遊星型ボールミル(フリッチュ社製、P-5型)を用い、25時間、600rpmでミリング処理した。以上により、第1固体電解質材料Li2.71.1Cl6(すなわち、LYC)の粉末を得た。
 [負極材料の前駆体の作製]
 アルゴングローブボックス内で、LYCと、導電助剤としてのアセチレンブラック(以下、「AB」とも記載する)とを、90:10の質量比率で秤量した。これらをメノウ乳鉢で混合することで、負極材料の前駆体を作製した。
 <実施例2>
 [第2固体電解質材料の作製]
 露点-60℃以下のアルゴングローブボックス内で、原料粉末としてLi2SとP25とを、Li2S:P25=75:25のモル比で秤量した。これらの原料粉末を乳鉢で粉砕して混合した。その後、得られた混合物を、遊星型ボールミル(フリッチュ社製、P-7型)を用い、10時間、510rpmでミリング処理した。得られたガラス状の固体電解質を、不活性雰囲気中、270℃で、2時間熱処理した。以上により、ガラスセラミックス状の固体電解質材料であるLi2S-P25(すなわち、LPS)を得た。
 [負極材料の前駆体の作製]
 アルゴングローブボックス内で、LYCと、LPSと、導電助剤としてのABとを、30:60:10の質量比率で秤量した。これらをメノウ乳鉢で混合することで、負極材料の前駆体を作製した。
 <比較例1>
 [硫化物固体電解質の作製]
 露点-60℃以下のアルゴングローブボックス内で、原料粉末としてLi2SとP25とGeS2とを、Li2S:P25:GeS2=5:1:1のモル比で秤量した。これらの原料粉末を乳鉢で粉砕して混合した。その後、遊星型ボールミル(フリッチュ社製、P-7型)を用い、10時間、510rpmでミリング処理した。以上により、硫化物固体電解質材料Li10GeP212(以下、「LGPS」と記載する)を得た。
 [負極材料の前駆体の作製]
 アルゴングローブボックス内で、LGPSと、LPSと、ABとを、30:60:10の質量比率で秤量した。これらをメノウ乳鉢で混合することで、負極材料の前駆体を作製した。
 <参考例1>
 [負極材料の前駆体の作製]
 LYCのみを、負極材料の前駆体として用いた。
 <参考例2>
 [負極材料の前駆体の作製]
 アルゴングローブボックス内で、LYCと、LPSとを、40:60の質量比率で秤量した。これらをメノウ乳鉢で混合することで、負極材料の前駆体を作製した。
 [電池の作製]
 上述の実施例1、実施例2、比較例1、参考例1、および参考例2の負極材料の前駆体について、電気化学セルを作製した。
 まず、絶縁性を有する外筒の中で、LPS80mgと、負極材料の前駆体7.2mgとを、この順に積層した。これを740MPaの圧力で加圧成形することで、負極前駆体層と固体電解質層との積層体を得た。
 次に、固体電解質層において負極前駆体層と接する側とは反対側に、金属In(厚さ200μm)、金属Li(厚さ300μm)、および金属In(厚さ200μm)をこの順に積層した。これを80MPaの圧力で加圧成形することで、負極前駆体層(すなわち、作用極)と、固体電解質層と、正極である対極とからなる2極式の電気化学セルとした。
 次に、積層体の上下にステンレス鋼集電体を配置し、集電体に集電リードを付設した。
 次に、絶縁性フェルールを用いて、絶縁性外筒内部を外気雰囲気から遮断および密閉した。
 最後に、4本のボルトで積層体を上下から拘束することで、作用極、固体電解質層、および対極からなる積層体に、面圧150MPaを印加した。
 以上により、電池を得た。ただし、得られた電池において、この段階では、負極に含まれるハロゲン化物固体電解質材料は還元前の状態であった。
 <電池の評価>
 [充放電試験]
 上述の実施例1、実施例2、比較例1、参考例1、および参考例2の電池をそれぞれ用いて、以下の条件で、充放電試験を実施した。
 電池を25℃の恒温槽に配置した。
 電池に対して、電流値0.1mA/cm2の電流密度で電圧-0.52V(vs LiIn)まで充電することで、ハロゲン化物還元体(すなわち、red-LYC)または硫化物還元体(すなわち、red-LGPS)を含む負極を備えた電池を作製した。
 次に、電流値0.1mA/cm2の電流密度で電圧1.9V(vs LiIn)まで放電した。
 以上により、上述の実施例1、実施例2、比較例1、参考例1、および参考例2の電池のそれぞれの充電容量、放電容量、充放電効率(=放電容量/充電容量)を得た。これらの結果を、表1に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 <考察>
 表1に示す実施例1および2の結果と、比較例1、参考例1、および参考例2の結果との比較により、ハロゲン化物還元体と導電助剤とを含む負極を用いることで、電池の充放電効率が向上することが確認された。
 また、実施例1および2の結果から、負極がさらに第2固体電解質材料を含む場合には、LYCが3電子反応で還元した際の理論容量269mAh/gに近い充電容量を示し、電池の充電容量および放電容量がより向上することが確認された。
 また、実施例2および比較例1の結果から、ハロゲン化物還元体を用いることで、電池の高い充放電効率と高い放電容量とを両立できることが確認された。
 また、実施例1と参考例1との結果により、ハロゲン化物還元体に導電助剤が添加されることにより、ハロゲン化物還元体のみの場合よりも電池の充放電効率が向上することが確認された。
 また、実施例2と参考例2との結果により、ハロゲン化物還元体および第2固体電解質材料に導電助剤が添加されることにより、ハロゲン化物還元体および第2固体電解質材料のみの場合よりも電池の充放電効率が向上することが確認された。
 以上より、組成式Liαβγにより表され、αとβとγとは、いずれも0より大きい値であり、Mは、Li以外の金属元素と半金属元素とのうちの少なくとも1つを含み、かつ、Xは、Cl、Br、IおよびFからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素である第1固体電解質材料の還元体と、導電助剤と、を含む負極材料を用いることで、電池の充放電効率が向上することが確認された。
 本開示の電池は、例えば、全固体リチウムイオン二次電池などとして、利用されうる。
 1000 負極材料
 101 ハロゲン化物還元体粒子
 102 第2固体電解質粒子
 103 導電助剤
 2000 電池
 201 負極
 202 電解質層
 203 正極

Claims (12)

  1.  第1固体電解質材料の還元体と、導電助剤とを含み、
     前記第1固体電解質材料は、下記の式(1)により表され、
     Liαβγ ・・・式(1)
     ここで、上記式(1)において、
     α、β、およびγは、いずれも0より大きい値であり、
     Mは、Li以外の金属元素および半金属元素からなる群より選ばれる少なくとも一種の元素であり、かつ、
     Xは、F、Cl、Br、およびIからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素である、
     負極材料。
  2.  Cu-Kα線を線源として用いたX線回折測定によって得られる、前記還元体のX線回折パターンにおいて、回折角2θの値がθa以上θb以下の範囲内にピークトップが存在し、
     前記θbは、Liと前記XとからなるLiXの(220)面を反映するピークのピークトップの回折角2θの値であり、
     前記θaは、前記第1固体電解質材料に由来するピークのピークトップの回折角2θの値であって、かつ前記θbに最も近い値である、
     請求項1に記載の負極材料。
  3.  前記第1固体電解質材料が、
     1.5≦α≦4.5、
     0.5≦β≦1.5、および
     γ=6
    を満たす、
     請求項1または2に記載の負極材料。
  4.  前記第1固体電解質材料が、
     α+mβ=γ
    の関係を満たし、
     ここで、mは前記Mの価数である、
     請求項1から3のいずれか一項に記載の負極材料。
  5.  前記Mは、遷移金属元素からなる群より選ばれる少なくとも一種の元素を含む、請求項1から4のいずれか一項に記載の負極材料。
  6.  前記Mは、イットリウムを含む、請求項5に記載の負極材料。
  7.  前記第1固体電解質材料は、下記の式(2)により表され、
     LiaMebc6 ・・・式(2)
     ここで、上記式(2)において、
     a、b、およびcは、a+meb+3c=6、かつ、c>0を満たし、
     Meは、LiおよびY以外の金属元素および半金属元素からなる群より選ばれる少なくとも一種の元素であり、
     meは前記Meの価数である、
     請求項6に記載の負極材料。
  8.  前記導電助剤は、アセチレンブラックを含む、請求項1から7のいずれか一項に記載の負極材料。
  9.  第2固体電解質材料をさらに含み、
     前記第2固体電解質材料のリチウムに対する還元電位は、前記第1固体電解質材料のリチウムに対する還元電位よりも卑である、
     請求項1から8のいずれか一項に記載の負極材料。
  10.  前記第2固体電解質材料は、硫化物固体電解質材料を含む、請求項9に記載の負極材料。
  11.  前記硫化物固体電解質材料は、Li2S-P25を含む、請求項10に記載の負極材料。
  12.  請求項1から11のいずれか一項に記載の負極材料を含む負極と、
     正極と、
     前記負極と前記正極との間に設けられた電解質層と、
    を備える、
     電池。
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